Osteoprotegerin (OPG):作為生物標志物或治療靶點的潛力如何?
日期:2020-12-22 14:45:36
2020年7月22日,發表在《細胞死亡與分化》雜志上的一項研究揭示了OPG在腫瘤方面的調控機制。該研究首次提出,OPG水平對p53介導的間充質干細胞成骨分化起著重要作用,同時也提示了一種關于腫瘤相關骨重塑的新型調控方法 [1]。盡管大量研究已證實OPG與骨吸收和骨重塑密切相關,但最近有研究發現,OPG可能在腫瘤生成和細胞凋亡等生物學進程中扮演重要的角色,其潛在價值有待進一步發掘。那么OPG是什么?它主要的作用是什么?OPG作為生物標志物或治療靶點的潛力如何?
1. OPG的結構和功能
OPG是腫瘤壞死因子(TNF)受體超家族的成員之一,又稱TNFRS11B或OCIF,屬于Ⅱ型跨膜蛋白。OPG缺少跨膜和胞漿區域,但包含7個主要結構域,這7個結構域共形成3個功能區:①TNF受體結構區,包括結構域1-4,即4個富含半胱氨酸的結構區域,參與抑制破骨細胞生成;②致死結構區,包括結構域5-6,即2個死亡域同源區;③肝素結合結構區,即結構域7,一個肝素結合位點,它對OPG與蛋白多糖的相互作用非常重要。特別是結構域7中Cys-400的存在是OPG同源二聚體形成的關鍵(圖1) [2,3]。

圖1. OPG的蛋白質結構示意圖
*本圖來源于Cellular and molecular life sciences 出版物[3]。
OPG主要由骨髓基質細胞表達。此外,在免疫系統(如淋巴結、B細胞和樹突狀細胞(DCs))和血管系統(如心臟、動脈和靜脈)中也檢測到其表達 [4]。通常,OPG的表達與一些骨疾病密切相關。但更多的證據表明,OPG可以通過抑制TNF相關的細胞凋亡促進細胞存活 [5]。此外,一些體外、體內和臨床研究也表明OPG在腫瘤中起到一定的作用 [6]。
2. OPG及其配體
OPG通過與其配體結合,直接或間接地發揮作用。RANKL是OPG配體之一,它最初被描述為“OPG配體/OPGL” [7]。RANKL作為TNF家族細胞因子的成員之一,以II型膜蛋白或可溶性蛋白RANKL的形式存在 [8]。它主要由活化的免疫細胞和成骨細胞表達 [9]。研究表明,RANKL常參與多種生物活動。例如,RANKL能促進單細胞前體細胞的分化,從而形成成熟的破骨細胞 [10];RANKL能增強成熟破骨細胞的骨吸收活性 [11]。此外,RANKL通過與其同源的高親和力跨膜受體RANK相互作用,發揮其促骨細胞活性 [12]。
除RANKL外,OPG還能與另一個TNF家族成員TRAIL結合。與RANKL類似,TRAIL也是以II型膜蛋白或可溶性蛋白的形式表達 [13, 14]?,F有證據表明,OPG/TRAIL水平可能與血管鈣化有關,而血管鈣化是糖尿病的主要原因 [15]。
比較OPG對RANKL和TRAIL的影響,如圖2所示,TRAIL的促凋亡活性是由其4個膜受體中的2個(TRAIL-R1和TRAIL-R2)介導的。OPG可以有效地與RANKL或TRAIL結合,阻止RANKL或TRAIL與其相應的跨膜受體之間的關聯。該過程可以抑制RANKL介導的破骨細胞生成以及TRAIL的促凋亡活性 [3]。

圖2. OPG對RANKL和TRAIL的影響
*本圖片來源于Cellular and molecular life science 出版物[3]。
3. OPG/RANKL/RANK調節機制
眾所周知,OPG/RANKL/RANK是OPG的主要信號通路,主要參與破骨細胞的發生。如圖3所示,成骨細胞首先產生RANKL,繼而RANKL與成骨細胞前體表面的RANK結合,TRAF 2、5、6與RANK胞質域結合。隨后,多個分子被激活,包括JNK、p38、ERK、Akt和NF-κB。進一步,激活的NF-κB移動到細胞核,最后與NFATc1相互作用,觸發成骨細胞基因轉錄 [16]。

圖3. OPG/RANKL/RANK生物活性的作用機制
*本圖片來源于Molecular Medicine Reports 出版物[16]。
OPG/RANKL/RANK通路不僅在破骨細胞激活、形成和存活中起主導作用,而且還在其他組織中發揮作用,包括乳腺、大腦和淋巴結。OPG/RANKL/RANK通路的紊亂與人類某些疾病有關,包括絕經后骨質疏松癥、類風濕性關節炎(RA)、骨腫瘤和某些骨轉移性腫瘤。此外,該通路可能是淋巴結形成和自身免疫性疾病RA的關鍵調節因子,這進一步提示免疫通路可能與OPG/RANKL/RANK相互作用 [17-19]。
4. OPG在骨、血管和腫瘤疾病中的作用
OPG在調節骨相關疾病中具有重要地位。有研究評估了OPG在骨質疏松癥、類風濕關節炎、牙周炎和幼年磷酸酶癥(JPD)中的作用。骨質疏松癥是一種由于破骨細胞活性增加而導致的低骨密度(BMD)為特征的疾病,而OPG能特異地抑制破骨細胞生成 [20]。類風濕性關節伴有軟骨和骨質破壞,部分原因是破骨細胞生成增加所致 [21]。在牙周炎中觀察到的骨吸收部分,與OPG的減少,破骨細胞活性增加有關 [22]。
此外,編碼OPG的基因突變與JPD有密切關系 [23]。該病又稱特發性高磷酸酶癥,是一種罕見的常染色體隱性疾病,其特征是整個骨骼的骨重塑加快。如圖4所示,患者的表現型取決于OPG基因內存在的突變 [2]。

圖4. 幼年高磷酸酶的OPG突變
*本圖片來源于European journal of cell biology 出版物[2]。
另一方面,OPG與血管相關疾病的聯系也被證實 [24]。例如,在類風濕關節炎患者中,通常發現OPG水平高,是冠狀動脈疾病的高危人群 [25]。此外,臨床發現OPG缺失的小鼠表現出主動脈和腎動脈的鈣化 [26]。然而,最近研究報道,OPG與腎功能之間存在顯著的反向關聯。與這些數據一致的是,高表達的OPG與老年婦女腎功能衰退有密切關系 [27]。OPG有望作為腎臟病風險預測新標志。
近年,OPG在腫瘤發生中的作用引起了關注,尤其是在癌癥誘發的骨病和腫瘤細胞存活方面。臨床數據發現,在結直腸癌、胰腺癌以及頭頸部鱗狀細胞癌癥中,OPG血清水平升高 [2]。也有研究發現,OPG血清水平的升高似乎與骨轉移有關,包括乳腺癌、肺癌和前列腺癌 [6]。

圖5. OPG在腫瘤細胞生存中的潛在作用
*本圖片來源于Clinical science 出版物[6]。
為進一步說明OPG在腫瘤細胞存活中的潛在作用,如圖5所示,單核細胞產生的TRAIL與腫瘤細胞表面的DR4/DR5(TRAIL-R1/TRAIL-R2)結合,啟動細胞凋亡。腫瘤細胞或破骨細胞/BMSCs產生的OPG與TRAIL結合,阻止TRAIL與DR4/DR5結合 [6]。OPG能夠抑制TRAIL誘導的細胞凋亡,這表明OPG可能具有促進腫瘤發生的作用 [5]。然而矛盾的是,有證據表明OPG能夠抑制癌癥誘導的骨病 [2]。OPG是否能促進或抑制腫瘤進展仍有待充分闡明,并且可能在不同癌癥類型和疾病階段之間有所不同。
5. OPG的臨床應用前景
總的來說,OPG在骨相關疾病中至關重要,包括骨質疏松癥、幼年磷酸酶癥(JPD)、關節炎、骨吸收。在血管相關疾病和腫瘤發生方面,OPG的作用似乎更為復雜,這使得OPG作為一種潛在的生物標記物或治療靶點備受關注。換句話說,OPG抗體或者抗OPG產品在臨床研究中的應用有望監測疾病相關的進展和并發癥。在全球范圍內,抗體治療市場規模在2019年估值為1230.3億美元,預計到2027年將達到350.1億美元。到目前為止,僅有一項來自癌癥患者接受重組OPG構建體(AMGN-0007)的臨床試驗的研究報告 [6],該研究顯示,在涉及過度骨吸收的骨病方面,OPG的治療效果顯著。研究結果為OPG治療某些疾病提供了可靠的證據。為進一步闡明OPG的保護或者是損害機制,OPG抗體或抗OPG抗體的開發,在長期內會有巨大的市場潛力。
OPG蛋白

(Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.

Immobilized TNFSF11 (CSB-MP023986HU1(F2)) at 10 μg/ml can bind human TNFRSF11B, the EC50 is 2.651-7.646 ng/ml.
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